高韌性型芯增強(qiáng)材料的配方設(shè)計(jì)

高韌性型芯增強(qiáng)材料的配方設(shè)計(jì)

相對(duì)較低耐火性的無產(chǎn)階級(jí)（kcl、nacl、na2co3、kco3等）廣泛用于鋁用透水芯，但無產(chǎn)階級(jí)是一種脆弱的材料。所制的芯的強(qiáng)度很低。通過添加氧化鎂、粘土等粉末材料制備的芯型增強(qiáng)芯。隨著航空工業(yè)的發(fā)展,鑄件的復(fù)雜程度越來越高,對(duì)型芯的強(qiáng)度提出了更高的要求.作為粉末材料的氧化鎂加入后,型芯中無機(jī)鹽晶粒得以細(xì)化,從而起到了增強(qiáng)的作用.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)高嶺土、硅藻土等粉末也能起到增強(qiáng)的效果.另外,晶須的增強(qiáng)作用在高分子材料及復(fù)合材料行業(yè)得到廣泛利用,但在鑄造鹽芯中應(yīng)用較少.因此,本研究引入高嶺土、硅藻土以及硼酸鎂晶須為粉末添加劑,考察其對(duì)水溶性型芯強(qiáng)度的增強(qiáng)效果.鑄造研究領(lǐng)域中普遍采用正交試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)配方的優(yōu)化,雖然正交試驗(yàn)也考慮各因素之間的交互作用,但得到的結(jié)果只是試驗(yàn)水平上的最佳配比及預(yù)測(cè)各因素對(duì)變量的影響趨勢(shì),而混料設(shè)計(jì)就是研究配料中各試驗(yàn)因素的最佳配比問題.該方法可以通過較少的試驗(yàn)次數(shù),利用回歸分析建立連續(xù)變量曲線模型,對(duì)各因素及其交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià),得到各因素的最佳配比.為此,本研究在單獨(dú)考察3種粉末單獨(dú)增強(qiáng)水溶性型芯后,進(jìn)一步采用混料設(shè)計(jì)考察它們的復(fù)合增強(qiáng)效果,以期獲得最優(yōu)的水溶性型芯配方.1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備主要原材料:70/140目硅砂(內(nèi)蒙古大林產(chǎn));無水K2CO3(分析純,天津登峰化學(xué)試劑廠產(chǎn));煅燒高嶺土(400目,河南某地產(chǎn))、硅藻土(青島三星硅藻土有限公司產(chǎn));硼酸鎂晶須(沈陽美西精細(xì)化工有限公司產(chǎn)).主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)儀器:SAR-Ⅱ智能溫控覆膜砂制樣機(jī);SWY液壓萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī);SHY樹脂砂混砂機(jī),均為無錫市三峰儀器設(shè)備有限公司產(chǎn).1.2帶型芯強(qiáng)度測(cè)試試樣的制備:將500g硅砂與粉末在混砂機(jī)中干混1min,再加入以40gK2CO3和40g水配置的K2CO3溶液濕混3min,待制樣機(jī)溫度達(dá)到180℃時(shí)開始制樣,加熱3min后脫模取出試樣,并將型芯置于干燥皿中備用.“8”字試樣在SAR-Ⅱ智能溫控覆膜砂制樣機(jī)上制作完成,所得型芯斷面尺寸為標(biāo)準(zhǔn)“8”字試樣斷面的1/2.抗拉強(qiáng)度測(cè)試:將制得的型芯置于強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量抗拉強(qiáng)度St.同一配方實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次,將所測(cè)得的5組數(shù)據(jù)去除最大值和最小值后求得的平均值即為抗拉強(qiáng)度值.由于所制得型芯厚度為標(biāo)準(zhǔn)“8”字試樣斷面厚度的1/2,因此所得抗拉強(qiáng)度值應(yīng)為實(shí)測(cè)強(qiáng)度讀數(shù)的2倍.1.3混料約束條件在硅砂中分別單獨(dú)加入高嶺土、硼酸鎂晶須和硅藻土,考察各自加入量xi對(duì)型芯抗拉強(qiáng)度St的影響.b.混料實(shí)驗(yàn)混料設(shè)計(jì)是一種特殊的響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)方法,該方法中各因素為混料的各組分,響應(yīng)Y則是各組分比例xi的函數(shù).混料設(shè)計(jì)的目的在于建立響應(yīng)Y與組分比例xi的數(shù)學(xué)模型,從而對(duì)任意組分比例下的響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè).在混料設(shè)計(jì)中,各組分的比例xi必須是非負(fù)的,且它們的總和必須是1.混料約束條件可以表示為xi≥0(i=1,2,?,m),∑ixi=1.(1)xi≥0(i=1,2,?,m),∑ixi=1.(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以采用線性模型和二次模型對(duì)其進(jìn)行回歸分析,即:Y=∑i=1βixi；(2)Y=∑i=1βixi+∑i<jβijxixj?(3)Y=∑i=1βixi；(2)Y=∑i=1βixi+∑i<jβijxixj?(3)式中:βi為線性回歸系數(shù);βij為二元回歸系數(shù).水溶性型芯配方中包括砂、無機(jī)鹽溶液以及粉料添加劑,其中粉料添加劑的比例較小,需要采用極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行混料設(shè)計(jì),但粉料添加劑比例過小,又難以用極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行混料設(shè)計(jì).而本研究旨在考察高嶺土、硅藻土和硼酸鎂晶須3組分配比對(duì)型芯強(qiáng)度的影響,為此可以以這3種組分進(jìn)行混料設(shè)計(jì),3因素配比總和等于1,具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1.本研究采用minitab軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和回歸分析,并采用t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)分別對(duì)每個(gè)單獨(dú)的自變量和回歸模型總的回歸效果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).當(dāng)各項(xiàng)的P值(概率)小于0.05時(shí),表明回歸模型具有顯著性意義.2結(jié)果與分析2.1硅砂/鎂晶須加入量為7%時(shí)型芯強(qiáng)度檢測(cè)高嶺土、硅藻土和硼酸鎂晶須對(duì)型芯抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律見圖1.從圖1可以看出3種物質(zhì)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響都有先增大后減小的趨勢(shì),其中硼酸鎂晶須的加入量為硅砂質(zhì)量的7%時(shí)型芯抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值;而高嶺土和硅藻土在加入量為硅砂質(zhì)量的3%~5%時(shí)型芯的抗拉強(qiáng)度值就已經(jīng)達(dá)到最大值,且加入量在3%~5%時(shí)強(qiáng)度值相差不大.另外,在不考慮加入量的情況下比較3種物質(zhì)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響,可以看出三者的增強(qiáng)效果表現(xiàn)為硅藻土>硼酸鎂晶須>高嶺土.2.2全模型的建立及驗(yàn)證由于硼酸鎂晶須價(jià)格較高,出于對(duì)型芯成本的考慮不宜加入過多.另外,從單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中可以看出:高嶺土、硅藻土在加入量達(dá)到3%后型芯的強(qiáng)度增加不明顯.為此,可以將總的加入量定為硅砂質(zhì)量的3%即可.混料組分對(duì)型芯抗拉強(qiáng)度的影響見表1.采用minitab軟件對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行全模型的回歸分析和方差分析結(jié)果,見表2.從表2中可以看出:除x1×x2項(xiàng)對(duì)應(yīng)的P值大于0.05外,其余各項(xiàng)的P均小于0.05.這表明除x1×x2項(xiàng)外,其余各項(xiàng)對(duì)抗拉強(qiáng)度均有顯著影響.方差分析結(jié)果表明回歸模型的總效果是好的(各項(xiàng)對(duì)應(yīng)的P均小于0.05),且殘差診斷未出現(xiàn)異常,預(yù)測(cè)的多元相關(guān)系數(shù)為R1=92.51%,因此模型具有較好的預(yù)測(cè)能力.但全模型中2個(gè)自變量的交互效應(yīng)項(xiàng)不顯著,因此有必要對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)模型主要是刪除此不顯著項(xiàng).經(jīng)分析可知?jiǎng)h減模型也是有效的,為對(duì)比2個(gè)模型,將全模型與刪減模型效果列于表3.多元相關(guān)系數(shù)R的降低與模型項(xiàng)數(shù)減少有關(guān),若模型項(xiàng)數(shù)減少,R會(huì)略微降低.比較模型的好壞關(guān)鍵是看修正的多元相關(guān)系數(shù)R2是否有所提高.從表3中可以看出:R2從98.53%提高到98.81%,這說明刪除不顯著項(xiàng)后,回歸的效果更好.而殘差標(biāo)準(zhǔn)差s和預(yù)測(cè)殘差平方和h由0.0527681和0.128179分別降至0.0474678和0.102397,再次證明刪除不顯著項(xiàng)后回歸模型更好.因此最后確定抗拉強(qiáng)度值的回歸模型為St=1.443x1+1.143x2+1.951x3+1.035x1x3+3.915x2x3.St=1.443x1+1.143x2+1.951x3+1.035x1x3+3.915x2x3.混料設(shè)計(jì)可以根據(jù)各組分的三元等值線圖直觀地觀察各組分間的變化對(duì)指標(biāo)的影響.圖2為3組分不同配比條件下抗拉強(qiáng)度的等值線圖.隨著高嶺土比例x1的降低,抗拉強(qiáng)度值逐漸增大.因此要獲得高的強(qiáng)度,高嶺土的比例應(yīng)為0.硅藻土和硼酸鎂晶須的比例難以從等值線圖和響應(yīng)曲面圖中確定.通過混料設(shè)計(jì)中的響應(yīng)優(yōu)化器求解結(jié)果為:當(dāng)高嶺土、硼酸鎂晶須和硅藻土的比例為0.0:0.4:0.6時(shí),型芯可獲得最高強(qiáng)度2.57MPa.為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,按優(yōu)化的配比重復(fù)實(shí)驗(yàn),測(cè)得該配比下型芯的抗拉強(qiáng)度值分別為2.60MPa,2.65MPa和2.54MPa,與預(yù)測(cè)值2.57MPa較接近.2.3不同粉末增強(qiáng)下型芯強(qiáng)度對(duì)比將按混料設(shè)計(jì)優(yōu)化的配方制得的水溶性型芯與未做增強(qiáng)處理以及3種不同粉末增強(qiáng)的水溶性型芯的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,評(píng)價(jià)增強(qiáng)效果.不同粉末增強(qiáng)下型芯的抗拉強(qiáng)度見圖3.從圖中可以看出:在型芯混合料中單獨(dú)添加高嶺土、硼酸鎂晶須以及硅藻土等粉末材料后,型芯的抗拉強(qiáng)度得到了很大的提高(超過2倍),而對(duì)3種粉末進(jìn)行復(fù)合配方后,型芯強(qiáng)度提高了4倍,增強(qiáng)效果十分顯著.3最佳配方的確定本研究以單因素試驗(yàn)考察了高嶺土、硅藻土和硼酸鎂晶須的增強(qiáng)效果,并以混料設(shè)計(jì)考察了3種粉料復(fù)合配方對(duì)型芯強(qiáng)度的影響,得到以下結(jié)論:a.高嶺土、硼酸鎂晶須和硅藻土均能起到增強(qiáng)水溶性型芯的作用,且增強(qiáng)能力依次增強(qiáng);b.混料設(shè)